第一性原理研究Al-Y合金在压力作用下的晶胞结构、力学性质、热力学性质和电子结构

The influence of structural, elastic properties, thermodynamics and electronic properties Al-Y alloy were investigated by using first-principles. The equilibrium lattice constant, elastic constants, and elastic modulus as calculated here agree with results of previous studies. Calculated results of bulk modulus B, shear modulus G, Young’s modulus E, Poisson’s ratio v and Debye temperature all increase as pressure increase, but the opposite is true for heat capacity cp. In addition, the Debye temperature for the phases reduces gradually as follows: Al2Y > Al3Y> AlY. Additionally, the G/B ratio indicates that AlY and Al3Y are ductile materials, while Al2Y is a brittle material, and that the ductility of AlY and Al3Y can be improved with increased pressure, while the brittleness of Al2Y does not improve with increased pressure. Finally, the paper presents and discusses calculations of density of states and charge populations as they are affected by pressure.     

Ni-Cu合金力学和热力学性质第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用CASTEP和DMol3程序软件包研究了Ni_xCu_((1-x))(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1)合金的力学性能和热力学性质。计算了合金的弹性常数、体模量(B)、剪切模量(G)、Young's模量(E)、Poisson比(v)、熵(S)、焓(H)、比热容(C)及吉布斯自由能(G)。结果表明:Ni-Cu固溶体都是延性相,Ni_(0.9)Cu_(0.1)抗变形能力、硬度最高,其次是Ni_(0.8)Cu_(0.2),然后是Ni_(0.1)Cu_(0.9)。而延展性和塑性Ni_(0.1)Cu_(0.9)最好,其次是Ni_(0.9)Cu_(0.1),说明Ni_(0.1)Cu_(0.9)、Ni_(0.9)Cu_(0.1)综合力学性能最好。随着温度的升高,Ni_xCu_((1-x))(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1)合金体系的熵和焓都增大;比热容先增大,逐渐趋于一个定值。Gibbs自由能随着温度的升高而降低,表明温度升高,体系的热稳定性增强;且在同一温度下,随着Cu含量的升高,自由能依次减小,热稳定性增强。     

Mg-Zn-Y-La合金中二元相的电子结构和力学性质的第一性原理计算（英文）

为了研究稀土元素对镁锌合金性能的影响,利用基于第一性原理计算的平面波赝势方法,对Mg_2Y、Mg_2La和Mg_3La的结构稳定性、电子结构和力学性能进行了计算和分析。形成热和结合能的计算结果表明,Mg_3La具有最强合金化能力,而Mg_2La具有最强的结构稳定性。通过电子态密度(DOS),电子占据数和差分电荷密度分析了结构的稳定机制。计算了3种结构的弹性常数,并进一步得到了体模量B,剪切模量G,杨氏模量E和泊松比γ等。计算结果表明:Mg_2Y具有最强的抵抗变形能力,Mg_3La具有最强的刚度和抵抗剪切变形能力,而Mg_2La塑性最强。进一步分析表明Mg_2Y和Mg_2La为延性相,而Mg_3La为脆性相。此外,硬度和熔点的计算结果表明,3种金属间化合物中,Mg_3La的硬度最大,Mg_2Y的熔点最高。     

Mg-Al-Ca-Sn合金中二元相金属间化合物结构稳定性、电子结构、弹性性质和热力学性质的第一性原理计算（英文）

通过第一性原理计算方法研究Mg-Al-Ca-Sn合金中主要强化相Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Mg_2Sn和Mg_2Ca的结构稳定性、电子结构、弹性常数和热力学性质。计算所得晶格常数与实验值及文献值吻合。合金形成热和结合能计算结果表明,Al_2Ca具有最强的合金形成能力和结构稳定性。通过对这些化合物的态密度、Mulliken电子占据数、金属性和差分电荷密度计算分析其结构稳定性机制。通过计算Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Mg_2Sn和Mg_2Ca的弹性常数,推导出各相的体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比。热力学性质计算结果表明,Al_2Ca和Mg_2Sn的Gibbs自由能低于Mg_(17)Al_(12),即Al_2Ca和Mg_2Sn的晶体结构稳定性优于Mg_(17)Al_(12)相。因此,通过添加Ca和Sn元素可以提高Mg-Al系合金的热力学稳定性。     

第一性原理方法研究CrTe电子结构性质

使用基于局域密度近似的密度泛函方法,对闪锌矿结构和纤锌矿结构的CrTe进行模拟计算,通过对它们的磁学性质、态密度、能带结构以及部分电荷密度分析发现：这两种结构的CrTe都是半金属铁磁体,原胞的总磁矩分别为4μB和8μB．它们的半金属带隙为0．73eV和0．84eV。除此之外,还发现,半金属性质主要来源是Cr3d电子自旋交换劈裂和它与Te5p电子的强杂化。     

第一性原理研究Re的热力学性质

基于准谐Debye-Grüneisen模型,运用第一性原理缀加投影平面波方法研究了Re的热力学性质,拟合了Re的状态方程,计算了Re不同压强下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化关系。结果表明:采用八阶Birch-Murnaghan方程拟合得到的Re压强-体积曲线与实验测量结果吻合较好;计算的零压下吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化均与实验值符合较好;在零压,50、100、150和200GPa压强下,Re的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小;焓、熵随温度升高而增加;Re的电子等容热容随温度线性增加,晶格振动等容热容在低温下符合3T幂次规律并随温度增加而迅速增大,且在高温时逐渐接近Dulong-Petit极限;预测的德拜温度约为430K,与实验结果一致。     

第一性原理研究不同压力下正交相SrHfO_3的电子结构(英文)

采用第一性原理研究了压力对正交相Sr Hf O3电子结构的影响。正交相Sr Hf O3在零压力时的结构参数与已有的实验值和理论计算值一致。当施加的压力小于20 GPa时,正交相Sr Hf O3的最小间接带隙在Z-Γ之间。当施加的压力大于20 GPa时,正交相Sr Hf O3的最小间接带隙在S-Γ之间。随着压力的增加,正交相Sr Hf O3的态密度向低能量方向移动。电荷密度分析表明,Hf-O之间主要以共价键结合,Sr-O之间主要以离子键结合。随着压力的增加,Hf-O共价键和Sr-O离子键增强,而Sr-Hf O3之间的离子交互作用减弱。     

第一性原理研究压力下Ni-Mo二元化合物的力学性能和电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究压力对Ni-Mo二元化合物Ni4Mo、Ni3Mo(DOa)、Ni3Mo(DO22)、Ni2Mo力学性能和电子结构的影响。研究表明：0~40GPa压力范围内,随着压力的增大,相对体积V/V0不断减小且趋势减缓;形成热均为负值,且随着压力的增大形成热减小,说明增大压力可提高化合物的合金化能力;体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E、拉梅常数λ、硬度H的计算结果表明压力可提高四种化合物的抗变形、抗压缩能力及硬度,另外,B/G和泊松比ν表明所有化合物均为延性和塑性的;进行态密度的分析,阐明增大压力可提高四种化合物的稳定性及硬度。     

第一性原理研究点缺陷对B2结构NiAl合金性能的影响（英文）

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了含点缺陷结构NiAl晶胞的形成热、形成能、点缺陷平衡浓度、力学性能、电子结构等。将NiAl与其他B2结构的金属间化合物进行对比,发现NiAl拥有更好的塑性和成键强度。根据形成热、形成能和点缺陷平衡浓度的计算结果,发现Ni反位和空位缺陷是NiAl晶胞结构中主要的点缺陷。通过Pugh(G/B_0)和Cauchy(C_(12)–C_(44))准则预测出Ni空位和反位缺陷、Al反位缺陷能够提升NiAl合金的脆性,其中Ni空位缺陷作用最明显;而Al空位缺陷能够改善NiAl合金的塑性,但在NiAl合金中的浓度很低。态密度计算结果发现NiAl合金具有良好的导电性能,Ni空位缺陷、Al空位和反位缺陷能够提升NiAl合金的稳定性。     

AgAuPd中熵合金力学、热力学和电学性质的第一性原理研究

在微电子封装领域,键合Ag线具有较好的电学性能优势被广泛应用,但纯银线因存在强度低、高温易失效等缺点不能满足大功率器件的使用,因此本工作拟通过设计等原子比AgAuPd中熵合金作为替代纯Ag线的新型键合材料。本文通过SQS模型构建了等原子比AgAuPd中熵合金晶体模型,利用第一性原理计算了AgAuPd中熵合金在不同压力下的弹性性质(弹性常数、弹性模量、剪切模量)、热力学性质和电子结构。预测出AgAuPd中熵合金随压力的增加具有较好的结构稳定性、良好的塑性、高温稳定性以及优良的导电性,具有成为键合材料的潜力。利用第一性原理计算AgAuPd中熵合金加压下的力学、热力学和电学性质,对开发新型键合Ag基丝具有一定的理论指导意义。     

钛硼化物的结构、力学和电子性质的第一性原理研究(英文)

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了过渡族金属钛硼化物(Ti2B,TiB和TiB2)的晶体参数、力学性能和电子性质。晶格参数的计算结果与实验值以及其它理论计算值吻合得很好。弹性常数的计算结果表明,这3种硼化物在常压下都是力学稳定的。与金属钛相比(120GPa),3种硼化物的体弹模量都很大且随着硼含量的增加而增加,这可能是由金属晶格中引入的硼原子与钛原子之间形成定向共价键引起的。除TiB2外,TiB具有较大的体弹模量和剪切模量,可以视作为一种具有良好抗压性质的硬质材料。此外,对这几种硼化物的弹性各向异性性质和德拜温度也进行了讨论。电子态密度和原子电荷布居分析表明,这3种硼化物的化学键成分同时包含了共价、离子和金属成分。     

Mg-Al-Y合金中Al-Y金属间化合物的相稳定性、弹性和热力学性质的第一原理计算

通过基于密度泛函理论的第一原理计算方法,对Mg-Al-Y合金中的主要强化相,即Al_2Y和Al_3Y的相稳定性、电子结构、弹性性质以及热力学性质进行计算。相生成热的计算结果表明:Al_2Y和Al_3Y均可稳定存在,Al_2Y的结构稳定性更强,因此,在合金的凝固过程中,Al_2Y优先析出。Al_2Y和Al_3Y的电子态密度(DOS)和差分电荷密度计算的结果表明:Al_2Y和Al_3Y两相可以稳定存在的内在本质在于Al原子与Y原子的价电子轨道发生强烈的相互作用,形成了spd杂化。两相内的原子成键均为共价键、离子键和金属键。体模量B、剪切模量G、弹性模量E、泊松比v和各向异性因子A等力学性质参数的计算结果表明:这两种相为强硬的脆性相并都为各向同性,因此,具有相似的强化效果。两相熔点较高表明其具有很好的热稳定性,能够提高合金的高温性能。声子谱和声子态密度计算以及德拜温度的计算结果进一步验证了两相具有结构稳定性较高。两相的热力学性质符合一般热力学规律,其中自由能的计算结果表明:两相的稳定性顺序没有发生变化。随着温度的升高,Al_2Y的结构稳定性仍强于Al_3Y的。     

低价锆氧化物Zr3O的结构、热力学和弹性性质第一性原理研究(英文)

采用第一性原理系统地研究3种Zr₃O晶形(空间群分别为R■c (斜方六面体)、R32 (斜方六面体)和P6322(六面体))的晶格动力学及其与温度相关的热力学和力学性质。计算得到的3种Zr₃O晶形的晶体结构参数与实验结果一致。此外,证明3种Zr₃O结构在动力学和热力学上均具有稳定性。获得了3种Zr₃O晶形在0～1500 K温度范围内的熵、焓、吉布斯自由能、比热容、热膨胀系数和弹性模量等性质。发现3种Zr₃O晶形在0K时的相对稳定性顺序为Zr₃O (R■c)> Zr₃O (R32)> Zr₃O (P6₃22);然而,在50 K时Zr₃O(R■c)转变成Zr₃O (R32),在540K时转变为Zr₃O(P6₃22)。相较于其他2种Zr₃O相,Zr₃O(R...     

第一性原理研究碳化铬的电子结构、硬度和德拜温度

采用基于第一性原理的密度泛函理论,计算了3种碳化铬的晶格常数、电子结构、弹性模量、理论硬度和德拜温度等。结果表明,Cr3C2,Cr7C3和Cr23C6的化学键均为共价键、离子键和金属键组成的混合键;Cr3C2的热力学和力学稳定性均最高;Cr3C2,Cr7C3和Cr23C6的理论硬度值分别为20.9,18.3和13.2GPa,这与近期的实验研究结果十分相近。此外,本研究预测了3种碳化铬的徳拜温度。     

不同压力下CrB的晶体结构、电子结构及力学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO对Cr B进行晶体进行结构搜索,并对搜索出的结构进行了电子结构的分析及力学性质的预测。结果表明,采用1倍分子式搜索出的2种结构中,α-Cr B相为立方结构,空间群为Fm-3m(No. 225),β-Cr B相为四方结构,空间群为P4/mmm(No. 123)。当压强超过90 GPa时,Cr B将会发生结构相变,由α-Cr B相转变为β-Cr B相。声子谱的计算结果及力学稳定性的判据结果表明,α-Cr B相及β-Cr B相均具有动力学及力学稳定性。β-Cr B相晶体中,B原子的s轨道、p轨道及Cr原子的d轨道发生杂化,形成共价键及离子键;α-Cr B相晶体,Cr的d轨道和B的p轨道发生轨道杂化,形成了离子键。β-Cr B相中态密度能量范围分布较大且峰值相对较低,能带色散较强,原子轨道相互作用较强。随着压力的增加,α-Cr B相的硬度值逐渐升高,在90 GPa时达到最大值28 GPa,并且韧性和硬度的匹配程度最好,即此时材料的综合力学性能最好。当压力超过90 GPa发生相变后,β-Cr B相的硬度值明显降低,低至9.3 GPa,此时B/G...     

Mg-Ca系合金结构和力学性质的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分析了Mg-Ca、Mg-Ca-X(X=Al,Sr)等二元和三元合金的结构和力学性质。结果表明:Mg_2Ca合金为二元Mg-Ca合金的最稳定相。Mg_2Al_6Ca_4为合金形成能力最强且最稳定的合金相,其次是Mg_6Al_2Ca_4和Mg_6Ca_4Sr_2,Mg_2Ca_4Sr_6为不稳定相。Mg_2Al_6Ca_4存在最强的抗外力变形能力、抗剪切变形能力和刚度,而Mg_6Ca_4Sr_2的塑性和延展性最强。     

纤锌矿In_xGa_(1-x)N合金的电子结构和光学性质的第一性原理研究（英文）

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究In掺杂对纤锌矿In_xGa_(1-x)N合金的晶格常数、能带结构、态密度和光学性质的影响。计算结果表明:随着In掺杂浓度的增加,晶格常数逐渐增大,导带向低能方向移动,带隙变窄;与此同时,介电函数向低能方向发生了漂移,发生了红移现象。在2.0 eV附近出现了第一个介电峰,在4.76 eV附近出现了最大的介电峰。在大约5.6 eV和9.2 eV处有两个交叉点,当光子能量低于5.6或者高于9.2 eV,低掺杂浓度(小于50%)的吸收系数小于高掺杂浓度的吸收系数;当光子能量在5.6到9.2 eV之间,低掺杂浓度的吸收系数高于高掺杂浓度的吸收系数。研究结果表明In_xGa_(1-x)N合金可以作为太阳能电池以及透明导电薄膜的材料。     

第一性原理研究压力对Ni-Mo二元化合物力学性能和电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究压力对Ni-Mo二元化合物Ni_4Mo、Ni_3Mo(DOa)、Ni_3Mo(DO_(22))、Ni_2Mo力学性能和电子结构的影响。研究表明:0~40 GPa压力范围内,随着压力的增大,相对体积V/V_0不断减小且趋势减缓;形成热均为负值,且随着压力的增大形成热减小,说明增大压力可提高化合物的合金化能力;体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E、拉梅常数λ、硬度H的计算结果表明压力可提高4种化合物的抗变形、抗压缩能力及硬度。另外,B/G和泊松比v表明所有化合物均为延性和塑性的;进行态密度的分析,阐明增大压力可提高4种化合物的稳定性及硬度。     

压力对Ni_3Pt电子结构和力学性能的影响:第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波赝势方法,研究了压力对γ'-Ni_3Pt电子结构和力学性能的影响。本研究在0~50 GPa压力范围内每隔5 GPa对γ'-Ni_3Pt进行一次加压计算。计算结果表明:0 GPa压力下的平衡晶格常数与他人的实验研究和理论计算结果十分一致;不同压力下的总态密度和分波态密度表明化合物表现出金属特性,且随着压力的增大,体系稳定性先增强后减弱;此外,根据Voigt-Reuss-Hill(VRH)法计算了Ni_3Pt的体积模量(B)、剪切模量(G)、杨氏模量(E)和泊松比(v),发现随着压力的增大,Ni_3Pt晶体的硬度提高,延性和塑性增强。研究表明,压力对Ni_3Pt电子结构和力学性能的影响很大。     

第一性原理研究应力对6005A铝合金电子结构和弹性性质的影响

6005A铝合金中的纳米析出相可以有效提高合金的力学性能。然而,纳米级的尺寸和取向变化极大地阻碍了对析出相之间的潜在关系和晶体结构的理解。因此,本文用第一性原理计算研究了6005A铝合金中Mg₅Si₆、Mg₉Si₅和Mg₂Si 3种析出相在有无应力条件下的结构稳定性、力学性质和电子结构。无应力条件下的计算结果与以前的实验和理论结果符合得较好。结果表明,压缩应力不仅会增加3种析出相的韧性,还会降低Mg₂Si的带隙。此外,应力条件下会普遍提高析出相的生成焓和内聚能,从而降低其稳定性,促使亚稳态析出相向稳态析出相转变。这些发现将有助于进一步理解6005A铝合金析出相的结构行为和力学性能,对改善6005A铝合金性能具有理论指导意义。